EP3097623A1 - Windpark mit vorsteuerung im leistungsregler - Google Patents

Windpark mit vorsteuerung im leistungsregler

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EP3097623A1
EP3097623A1 EP15700386.4A EP15700386A EP3097623A1 EP 3097623 A1 EP3097623 A1 EP 3097623A1 EP 15700386 A EP15700386 A EP 15700386A EP 3097623 A1 EP3097623 A1 EP 3097623A1
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EP
European Patent Office
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power
wind
output
wind farm
farm according
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EP15700386.4A
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EP3097623B1 (de
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Jens Geisler
Roman Bluhm
Thomas Ott
Thomas Schröter
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Senvion GmbH
Original Assignee
Senvion GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • Y02E10/70—Wind energy
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Definitions

  • Wind farm with feedforward control in soupregier relates to a wind park with at least two wind turbines, which generate electric power by means of a wind rotor and a generator and release of a collecting ⁇ web, and a parking master, which is formed for guiding the wind turbines, wherein the ParkMaster a power controller comprises, at its input, a target power signal is created and output to the output Leis ⁇ processing control signals for the wind turbines
  • wind farms are therefore required that wind farms also be actively involved in regulating the grid. This includes the provision of reactive power but also measures to control the delivered active power.
  • wind farms differ from conventional power plants in one essential point, namely that their power output can not be freely determined, but that it depends on the wind speed in general and the wind conditions at the wind farm's individual wind turbines in particular.
  • wind farms can follow if necessary under certain conditions, depending on wind conditions with an increase in Leis ⁇ processing requirement. However, they can always react when the demand for power drops, namely by throttling the wind energy plant of the wind farm and thus not fully exploiting the existing wind.
  • that is setpoint adjustments for the power down wind farms are in principle so fully applicable to the Netz-Rege ⁇ ment. This is used by applying a setpoint for a power to be delivered to the parkmaster.
  • the park master controls the wind power installation so that a entspre ⁇ sponding power is generated and outputted to the network so far ⁇ which allow the wind conditions. Not let them there, so much the set point is not reached, the wind park ⁇ feeds as much power as is currently one possible.
  • the network operator is now demanding a reduction in the power output, the nominal value of the park master is ent lowered ⁇ speaking. This is usually done to avoid over- or undershoots in the power delivery not abruptly, but gradually as a ramp.
  • the RAM penförmige reducing the setpoint also takes account of the fact that corresponding throttle signals to the spread in the wind park are arranged WEA have to be transmitted and that their rotor blades must be adjusted with respect to the angle of incidence in each case in order to perform the desired Leis ⁇ tung reduction.
  • the invention has for its object to provide an improved wind farm, which avoids these disadvantages.
  • the invention provides that the power controller has a pilot module, which is a measure of the desired power via a multiplier on the Output of the power controller switches to ⁇ .
  • An essential aspect of the invention is that the pilot module is not added to the output of the output ⁇ controller additive, but multiplicatively. Thus, a significantly accelerated response can be achieved in particular at setpoint reduction. It is the merit of the invention to have recognized that a con- ventional pilot control is not sufficient to ensure that the desired arrives ver ⁇ improved behavior, but on a different kind of intrusion, namely by multiplying member. It not only offers the advantage of more rapid An Anlagenverhal ⁇ least, but in addition also robust to the operating state of the wind farm, ie whether much or little Leis ⁇ processing is generated. By multiplication with the power signal output by the power controller, an automatic adjustment of the pilot module to the respective power level is achieved. This can not be achieved with a merely additive link. The invention thus combines strikingly simple and elegant way out ⁇ advantages clearly more rapid response with robustness be ⁇ technische.
  • the precontrol acts, so to speak, in parallel with the power controller.
  • more convenient locations gate is this an accurate stationary element vorgese ⁇ hen to einregeln a desired power value better.
  • Such stationary precise members in particular in the form of an I-member, are known in the art, but not in combination with a multiplicatively connected pilot module.
  • the power controller is relieved in that regard. During its parameterization, priority is no longer to be paid to fast response.
  • the invention makes use of this by preferably providing a double parameter set for the power regulator.
  • one of the parameter sets is used to parameterize the power controller. Conveniently, this criterion is based on the sign of a control difference formed on the power controller, thus therefore positive for increases and negative for reductions.
  • one of the two parameter sets is then used for the power controller. Switching between the parameter sets can be done at any time, ie dynamically.
  • a Konfigu ⁇ ration has been found in which the parameter set for the reduction has a shorter time constant than the parameter set for the increase, and indeed by about one sizing order ⁇ .
  • an order of magnitude a factor of about 8 to 14 is considered, preferably about 10. This provides a particularly good adaptation to the conditions ge ⁇ rade of wind turbines is achieved. This can only very slowly or not increase the power output, down ⁇ but they are able to quickly surrender the power to reduce. This intrinsic behavior of the wind turbine is proposed by such worn Reglerkonfigu ⁇ ration bill.
  • the precontrol module has a correction limiter.
  • the correction limiter is designed asymmetrically.
  • a maximum finder is expediently provided for generating the upper limit, and is designed to determine from the various wind turbines of the wind farm that wind energy plant which generates the maximum electric power and feeds it to the network.
  • This maximum output specifically the associated end to the nominal power of the wind turbine normalized Leis ⁇ tung grad (z. B. 0.75 for a 75% underutilized wind ⁇ power plant), in the formation of the upper limit of the Korrekturbeskyrs underlying, so there ss the risk of unwanted throttling wind and thus high-performance wind turbines is avoided.
  • the addition of a fixed value ensures that the upper limit is always greater than the lower limit
  • a dynamic locking member is preferably seen ⁇ before, which is connected to the output of the multiplier (ie in the signal path behind the pilot control to detect their influence).
  • the dynamic lock member is configured to monitor the rate of change at that output and to block the power regulator when a limit is exceeded. A further increase in the values at the output, which could lead to an excessive demand of the wind turbine, is thus prevented. Preference ⁇ way, this is done in such a way that the power controller in the blocked state retains the previous value. In order to its condition remains and it can be re-used softly when the dynamic lock member releases the blockage.
  • a preferably simplified model of the wind turbine is implemented in the dynamic locking member. It can be more accurately matched to the behavior of the wind turbine, especially when changes in the requested performance.
  • the model needs to be be ⁇ Sonder consuming not mandatory. For reasons of faster calculation, a simple model is even an advantage. Be ⁇ Sonder is appropriate if the simplified model bimo ⁇ dal in the sense that it provides different Zeitkonstan ⁇ th for power reduction and power increase.
  • a wind power plant can quickly follow a power reduction, while a power increase results in a delay time due to the adjustment of the wind rotor required for this purpose.
  • a particularly simple and functional modeling therefore provides for the Leis ⁇ tung increase a delay element before, one of the first order is sufficient. Thus, a much better dynamic behavior, especially at high rates of change, achieved without much effort.
  • the invention further extends to a corresponding method.
  • Fig. 2 is a schematic view of the parkmaster with a
  • FIG. 3 is a block diagram of a power regulator of the
  • Fig. 5 is a detail view of a dynamic locking member; 6 shows a detailed view of an initialization module ; and
  • Wind farms with and without the invention Wind farms with and without the invention.
  • FIG. He An exemplary embodiment of a wind park according to the invention is shown in FIG. He includes a parkmaster
  • the wind turbines 1 each have a wind rotor 11 with a driven generator 12 for generating electrical power, which in a collection network 22 of the
  • Parks is fed and delivered at a connection point 29 in a transmission network 99.
  • the Parkmaster 2 monitors and controls the operation of the wind turbines 1.
  • the input signals are a power setpoint Pdemand, which is preferably provided by an external higher-level entity (not shown), and a value for the current power supply Pact, which is determined by a power measurement module 28 which monitors voltage and current at the connection point 28.
  • the difference determined by a differential element 30 is applied to the power regulator 3 as a signal for the control difference.
  • the power controller 3 determines therefrom default values for the wind power plants 1.
  • it has an I-element 33, which in the illustrated embodiment is designed as a discrete integrator with a summing element 34 and a feedback delay element (1 / z) 35.
  • the control difference formed at the input of the power controller 3 is not fed directly to the I-element, but is preprocessed by means of a switchable parameter set 6.
  • a sign detector 40 is provided, the control difference formed by the differential element 30 to un ⁇ tersucht whether it is positive or negative. If the sign is positive, the parameter set 61 is selected and the control difference is processed with the parameters belonging to this parameter set. In the illustrated embodiment, there is only one parameter, namely the one for a P-element 62. If the sign is negative, the parameter set 61 'is selected and the control difference processed with the parameters associated with this parameter set, in the illustrated Example by means of the P-member 62 '.
  • the values thus generated are combined by means of a fusion element 63 controlled by the sign detector 60 and supplied to the I-element 33.
  • the values of the parameter sets are selected so that the parameter set 61 'for the negative sign (ie a change down) a shorter time constant than the positive sign parameter set 61, preferably by a factor of 10 (corresponding to an order of magnitude).
  • the parking master 2 has a pre-control module 4. It is connected in parallel to the power controller 3 and at its input the signal for the power setpoint Pdemand is applied, as well as values for the actual output from the park power Pact and the performance of the individual wind turbines 1.
  • the determined by the pre-control module 4 output value is over a Mul ⁇ tiéessglied switched 5 to the output signal of the power ⁇ regulator 3, and transmits the obtained product therefrom in sequence via a park internal signal network 21 to the wind turbines. 1
  • the pilot control module 4 and its interaction with the power regulator 3 will be explained in more detail below.
  • the signal for the power reference value P DEMAND is applied as input ⁇ signal to the feedforward control module 4 and to the difference ⁇ member 30 at the input of the power controller. 3 To the differential element 30, detected by the power measurement module 28 ⁇ actual current power Pact is still further applied.
  • the pre-control module 4 comprises a fast forward channel 40, via which the signal applied to its input for the desired power Pdemand is output directly and applied to the multiplication element 5. For a ge ⁇ wished quick response is achieved to setpoint changes, which automatically scales thanks multiplicative intrusion to the actual output power level. It is thus achieved a fast and robust response.
  • the pilot module on additional channels 41 and 42 with which it acts on the power ⁇ regulator.
  • the passage 41 acts on a Korrekturbe ⁇ limiter 7 and obtains values for the turbines by the individual wind power output 1 ⁇ ⁇ , P n and P in. These values are queried by the parkmaster 2 via the signal network 21 from the individual wind turbines 1.
  • a maximum detector 73 which determines the highest of these power values and outputs them to a summer 74 as a normalized power signal. Furthermore, a signal for a basic value offset is applied to the summing element 74. The sum signal formed therefrom is applied to a limiting member 75, which performs loading ⁇ limitation on 1 corresponding to the rated power. This signal thus obtained is applied to a divide ⁇ member 76, which performs a division by the same normalized value for the desired power Pdemand. The thus he ⁇ preserved signal is a second limiting member 77 supplied ⁇ leads, it is limited downwards to 1 and then applied to an upper limit of input 72 Korrekturbe dictionaryrs.
  • a fixed normalized power value of 0.5 is applied to a lower-limit input 71, which may optionally also be replaced by a higher value.
  • the channel 42 acts on an initializer 9, which is designed as part of the precontrol 4 to initialize the horeg ⁇ ler 3 in certain situations by means of a ramp function. To recognize these particular situations, the initializer 9 has an input stage consisting of two comparison modules 93, 94. At the first
  • Comparison module 93 signals for the desired power P mandand and the current power P act are applied. It checks if the requested nominal power is less than the power currently delivered by the wind farm. If this is the case, a logic signal is output as a release. Is equal to the second Ver ⁇ module 94 also the signal for current performance-P act applied and further a difference signal which it is evidence ⁇ as an output signal of the Korrekturbegrenzers 7 with a rate tolerance value T comparative difference element 95th If the current power is smaller, if an enable logic signal is output even if ⁇ ; if it is not, this means that the current power is close enough to the new setpoint that it can be reached directly and initialization of the ramp is not required.
  • a predictor 98 can be connected to the initializer 9. This is designed to generate an estimated value for the target power specification for the wind energy plants in the event of a setpoint step up. In the case of such a setpoint jump to this estimated value a better transitional behavior can be achieved.
  • the predictor 98 is the subject of another, simultaneously filed application of the Applicant.
  • a dynamic locking member 8 is provided. At him is the signal generated by the multiplication element 5 is ⁇ closed. He monitors it by means of a simplified ma ⁇ thematic model 82 of the wind turbine 1 and acts in case of too rapid changes to blocking elements 81, which act on the parameter sets 61, 61 '. Thus, a so-called. Anti-windup for the power controller 3 is realized.
  • the model 82 is preferably constructed so that it as the input stage comprises an upper path 84 with a 1st order delay element 86, and a Be ⁇ limiter 88 and a lower path 85 to an integrator 83 which are merged at a difference block 89, which in turn outputs the output signal for the activation of the blocking elements 81.
  • an increase in power so ensures that of deceleration member 86 that occurring at the actual wind power installation ⁇ slow processes, such as pitch adjustment will be considered of the rotor blades in the model. This ensures correct control of the controller even in this case.
  • the interaction of the components described above is shown in FIG.
  • FIG. 7 shows performance diagrams for wind farms with (FIG. 7a) and without (FIG. 7b) the pilot control module 4 according to the invention.
  • the wind conditions are rather weak but quite turbulent so that the wind turbine fluctuates around 70% of its rated output.
  • the dashed line shows the setpoint output by the parkmaster 2 to the wind turbines 1 as a dashed line
  • the solid line shows the actual output power of the park as a whole.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Windpark mit mindestens zwei Windenergieanlagen, die mittels eines Windrotors und eines Generators elektrische Leistung erzeugen und an ein Sammelnetz abgeben, und einem Parkmaster, der zur Führung der Windenergieanlagen ausgebildet ist, wobei der Parkmaster einen Leistungsregler (3) umfasst, an dessen Eingang ein Sollleistungssignal (P demand) angelegt ist und an dessen Ausgang Leistungssteuersignale für die Windenergieanlagen ausgegeben werden, wobei der Leistungsregler (3) ein Vorsteuermodul (4) aufweist, das ein Maß für die Sollleistung über ein Multiplikationsglied (5) auf den Aus- gang des Leistungsreglers (3) aufschaltet.

Description

Windpark mit Vorsteuerung im Leistungsregier Die Erfindung betrifft einen Windpark mit mindestens zwei Windenergieanlagen, die mittels eines Windrotors und eines Generators elektrische Leistung erzeugen und an ein Sammel¬ netz abgeben, und einem Parkmaster, der zur Führung der Windenergieanlagen ausgebildet ist, wobei der Parkmaster einen Leistungsregler umfasst, an dessen Eingang ein Sollleistungssignal angelegt ist und an dessen Ausgang Leis¬ tungssteuersignale für die Windenergieanlagen ausgegeben werden
Durch umfangreichen Zubau von Windenergieanlagen und Wind- parks spielen diese eine immer größere Rolle bei der Leis¬ tungserzeugung im elektrischen Netz. Seitens der Netzbetreiber wird daher verlangt, dass auch Windparks aktiv an der Regelung im Netz beteiligt werden. Das betrifft u. a. die Bereitstellung von Blindleistung aber auch Maßnahmen zur Kontrolle der abgegebenen Wirkleistung. Windparks unterscheiden sich von herkömmlichen Kraftwerken jedoch in einem wesentlichen Punkt, nämlich dass die von ihnen abgegebene Leistung nicht frei bestimmt werden kann, sondern dass sie abhängig ist von der Windgeschwindigkeit im allge- meinen und den Windverhältnissen an den einzelnen Windenergieanlagen des Windparks im speziellen.
Grundsätzlich ist es so, dass an Windparks nunmehr eine Sollvorgabe für die abzugebende Leistung übermittelt wird. Es ist klar, dass die Windparks bei einem Anstieg der Leis¬ tungsanforderung ggf. je nach Windverhältnissen nur bedingt folgen können. Sie können aber bei einem Abfall der Leistungsanforderung stets reagieren, nämlich indem die Wind- energieanlage des Windparks gedrosselt wird und sie somit den vorhandenen Wind nicht voll ausnutzen. In dieser Richtung, also bei Sollwertverstellungen für die Leistung nach unten, sind Windparks im Grundsatz also voll zur Netz-Rege¬ lung heranziehbar. Dies wird genutzt, indem an dem Parkmaster ein Sollwert für eine abzugebende Leistung angelegt ist. Der Parkmaster steuert die Windenergieanlage so an, dass eine entspre¬ chende Leistung erzeugt und in das Netz abgegeben wird, so¬ weit das die Windverhältnisse zulassen. Lassen sie es nicht zu, so wird zwar der Sollwert nicht erreicht aber der Wind¬ park speist soviel Leistung wie aktuell möglich ein.
Verlangt der Netzbetreiber nun eine Reduzierung der Leistungsabgabe, so wird der Sollwert an den Parkmaster ent¬ sprechend gesenkt. Dies erfolgt in der Regel zur Vermeidung von Über- oder Unterschwingern bei der Leistungsabgabe nicht schlagartig, sondern allmählich als Rampe. Das ram- penförmige Reduzieren des Sollwerts trägt auch der Tatsache Rechnung, dass entsprechende Drosselsignale an die verteilt im Windpark angeordneten WEA erst übermittelt werden müssen und diese jeweils für sich ihre Rotorblätter bezüglich des Anstellwinkels verstellen müssen, um die gewünschte Leis¬ tungsreduzierung durchzuführen.
Bei schwachen Windverhältnissen trifft häufig der Fall auf, dass die tatsächlich abgegebene Leistung kleiner ist als der Sollwert, also der Sollwert recht hoch ist. Diese Dis¬ krepanz ist bei einem Windpark unvermeidlich und an sich nicht problematisch. In der Praxis kommt es aber dann zu Schwierigkeiten, wenn dann der Sollwert ausgehend von sei- nem recht hohen Wert deutlich abgesenkt wird. Wegen der
Diskrepanz zur viel niedrigeren tatsächlichen Leistungsabgabe wirkt sich die rampenartige Absenkung des Sollwerts anfänglich überhaupt nicht aus, da der Sollwert immer noch über dem Istwert liegt. Erst wenn der Sollwert soweit abge- sunken ist, dass er den Istwert erreicht und dann weiter sinkt, wird dann die Leistungsabgabe des Windparks tatsäch¬ lich reduziert. Der Windpark reagiert auf die angeforderte Leistungsverringerung also verzögert. Es besteht eine uner¬ wünschte Totzeit. Dies ist aus Sicht des Netzbetreibers un- günstig. Noch ungünstiger für den Netzbetreiben ist jedoch, dass die Länge der Totzeit nicht fix ist, sondern umso län¬ ger wird, je größer anfänglich die Diskrepanz zwischen Sollwert und geringerer tatsächlicher Leistungsabgabe war. Unter Regelungsaspekten ist ein solches Verhalten nur schwer zu beherrschen und stellt eine Gefahr für die Systemstabilität des Netzes dar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Windpark zu schaffen, der diese Nachteile vermeidet.
Die erfindungsgemäße Lösung liegt in den Merkmalen der un- abhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Ge¬ genstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einem Windpark mit mindestens zwei Windenergieanlagen, die mittels eines Windrotors und eines Generators elektri¬ sche Leistung erzeugen und an ein Sammelnetz abgeben, und einem Parkmaster, der zur Führung der Windenergieanlagen ausgebildet ist, wobei der Parkmaster einen Leistungsregler umfasst, an dessen Eingang ein Sollleistungssignal angelegt ist und an dessen Ausgang Leistungssteuersignale für die Windenergieanlagen ausgegeben werden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Leistungsregler ein Vorsteuermodul aufweist, das ein Maß für die Sollleistung über ein Multiplikationsglied auf den Ausgang des Leistungsreglers auf¬ schaltet .
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung liegt darin, dass das Vorsteuermodul nicht additiv auf den Ausgang des Leistungs¬ reglers aufgeschaltet wird, sondern multiplikativ . Damit kann ein deutlich beschleunigtes Ansprechverhalten insbesondere bei Sollwertreduktion erreicht werden. Es ist der Verdienst der Erfindung erkannt zu haben, dass eine her- kömmliche Vorsteuerung nicht genügt, um das erwünschte ver¬ besserte Verhalten, sondern dass es auf eine andere Art der Aufschaltung ankommt, nämlich per Multiplikationsglied. Sie bietet nicht nur den Vorteil des schnellern Ansprechverhal¬ tens, sondern ist zusätzlich auch robust gegenüber dem Be- triebszustand des Windparks, also ob viel oder wenig Leis¬ tung erzeugt wird. Durch die Multiplikation mit dem vom Leistungsregler ausgegebenen Leistungssignal wird eine automatische Anpassung des Vorsteuermoduls an das jeweilige Leistungsniveau erreicht. Mit einer nur additiven Verknüp- fung, ist das nicht zu leisten. Die Erfindung vereint somit auf frappierend einfache und elegante Weise Vorzüge hin¬ sichtlich schnellern Ansprechverhaltens mit Robustheit be¬ züglich des Betriebszustands des Windparks.
Über das Multiplikationsglied wirkt die Vorsteuerung sozu- sagen parallel mit dem Leistungsregler zusammen. Zweckmäßi- gerweise ist hierfür ein stationär genaues Glied vorgese¬ hen, um einen gewünschten Leistungswert besser einregeln zu können. Solche stationär genauen Glieder, insbesondere in Gestalt eines I-Glieds, sind im Stand der Technik zwar an sich bekannt, aber nicht in der Kombination mit einem mul- tiplikativ angeschalteten Vorsteuermodul.
Dank der Vorsteuermoduls und der damit bewirkten schnellen Reaktion aus Sollwertveränderungen, insbesondere Sollwertreduktionen, ist der Leistungsregler insoweit entlastet. Bei seiner Parametrierung braucht nicht mehr vorrangig auf schnelles Ansprechverhalten geachtet zu werden. Die Erfindung macht sich dies zu Nutze, indem sie vorzugsweise einen doppelten Parametersatz für den Leistungsregler vorsieht. Je nach Bedarf wird einer der Parametersätze genutzt, um den Leistungsregler zu parametrieren . Zweckmäßigerweise wird hierbei als Kriterium auf das Vorzeichen einer am Leistungsregler gebildeten Regeldifferenz abgestellt, mithin also positiv für Erhöhungen und negativ für Reduktionen. Je nach Vorzeichen wird dann einer der beiden Parame- tersätze für den Leistungsregler verwendet. Das Umschalten zwischen den Parametersätzen kann jederzeit, also dynamisch erfolgen. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Konfigu¬ ration herausgestellt, bei welcher der Parametersatz für die Reduktion eine kürzere Zeitkonstante als der Parameter- satz für die Erhöhung aufweist, und zwar um etwa eine Grö¬ ßenordnung. Unter „etwa eine Größenordnung" wird ein Faktor von ca. 8 bis 14 angesehen, vorzugsweise etwa 10. Damit wird eine besonders gute Anpassung an die Verhältnisse ge¬ rade von Windenergieanlagen erreicht. Diese können die Leistungsabgabe nicht oder nur recht langsam erhöhen, hin¬ gegen sind sie aber befähigt, die Leistungsabgabe rasch zu reduzieren. Diesem intrinsischen Verhalten der Windenergieanlage wird durch eine solche vorgeschlagen Reglerkonfigu¬ ration Rechnung getragen.
Um den hohen Anforderungen an die Stabilität des Netzes ge- recht zu werden, ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass das Vorsteuermodul einen Korrekturbegrenzer aufweist. Damit wird die vom Vorsteuermodul bewirkte Änderung beschränkt, was sich vorteilhaft auf die Stabilität auswirkt. Gleich¬ zeitig gestattet es, eher größere Verstärkungsfaktoren ein- zustellen, ohne dass deswegen die Gefahr einer Instabilität entstehen würde. Mit Vorteil ist der Korrekturbegrenzer asymmetrisch ausgeführt. Unter „asymmetrisch" wird hierbei verstanden, dass die untere Grenze einen anderen Abstand aufweist als die obere Grenze. Es hat sich für die Erfin- dung bewährt, die untere Grenze fix zu wählen und die obere Grenze variabel zu halten. Damit können die gegensätzlich erscheinenden Forderungen nach schnellem Ansprechverhalten einerseits und Stabilität im Betrieb andererseits auf zweckmäßige Weise verbunden werden. Für die Generierung der oberen Grenze ist zweckmäßigerweise ein Maximumsfinder vorgesehen. Er ist dazu ausgebildet, aus den verschiedenen Windenergieanlagen des Windparks diejenige Windenergieanlage zu ermitteln, welche die maximale elektrische Leistung erzeugt und in das Netz einspeist. Diese maximale Leistung, genauer gesagt der dazugehörende auf die Nennleistung der Windenergieanlage normierte Leis¬ tungsgrad (z. B. 0,75 für eine zu 75 % ausgelastete Wind¬ energieanlage) wird bei der Bildung der oberen Grenze des Korrekturbegrenzers zu Grunde gelegt, so dass das Risiko einer unerwünschten Abdrosselung wind- und damit leistungsstarker Windenergieanlagen vermieden wird. Vorzugsweise ist durch die Hinzufügung eines festen Werts sichergestellt, dass die obere Grenze stets größer ist als die untere
Grenze .
Eine schnelle Reaktion der Leistungsregelung ist an sich erwünscht, wie eingangs beschrieben. Allerdings ist zu be¬ rücksichtigen, dass das geregelte System, die Windenergie¬ anlagen, mechanische Komponenten aufweist, die nicht belie¬ big schnell reagieren, schon allein wegen ihrer trägen Masse. Würde eine zu hohe Änderungsgeschwindigkeit ver- langt, so könnte die Windenergieanlage also gar nicht fol¬ gen. In der Folge entstünden Abweichungen, die als Regelabweichungen vom Leistungsregler erkannt würden und zu einer weiteren zusätzlichen Änderung an seinem Ausgang führen würde, der die Windenergieanlage aber ohnehin gar nicht mehr folgen kann. Ein solcher Zustand ist unerwünscht. Es ist daher zweckmäßig, der Vorsteuerung als an sich erwünschtes schnelles Reaktionsmittel ein Korrektiv gegen¬ überzustellen, welches die Änderungsgeschwindigkeit soweit begrenzt, dass sie noch für die Windenergieanlage verträg- lieh ist. Dazu ist vorzugsweise ein Dynamiksperrglied vor¬ gesehen, welches an den Ausgang des Multiplikationsglieds angeschlossen (also im Signalpfad hinter der Vorsteuerung, um auch deren Einfluss zu erfassen) . Das Dynamiksperrglied ist dazu ausgebildet, die Änderungsrate an diesem Ausgang zu überwachen und bei Überschreiten eines Grenzwerts den Leistungsregler zu blockieren. Ein weiteres Anwachsen der Werte am Ausgang, die zu einer Überforderung der Windenergieanlage führen könnte, wird somit verhindert. Vorzugs¬ weise geschieht das in der Weise, dass der Leistungsregler im blockierten Zustand den vorherigen Wert beibehält. Damit bleibt sein Zustand bestehen und es kann wieder weich eingesetzt werden, wenn das Dynamiksperrglied die Blockierung aufhebt .
Mit Vorteil ist in dem Dynamiksperrglied ein vorzugsweise vereinfachtes Modell der Windenergieanlage implementiert. Es kann so genauer auf das Verhalten der Windenergieanlage, insbesondere bei Änderungen der abgeforderten Leistung, abgestimmt sein. Das Modell braucht dazu nicht zwingend be¬ sonders aufwendig zu sein. Aus Gründen einer schnelleren Berechnung ist ein einfaches Modell sogar von Vorteil. Be¬ sonders zweckmäßig ist, wenn das vereinfachte Modell bimo¬ dal in dem Sinne ist, das es unterschiedliche Zeitkonstan¬ ten für Leistungsreduktion bzw. Leistungserhöhung vorsieht. In der Regel kann eine Windenergieanlage einer Leistungsre- duktion schnell folgen, während für eine Leistungserhöhung wegen der dazu erforderlichen Verstellung des Windrotors sich eine Verzögerungszeit ergibt. Eine besonders einfache wie zweckmäßige Modellierung sieht deshalb für die Leis¬ tungserhöhung ein Verzögerungsglied vor, wobei eines erster Ordnung genügt. Damit wird ohne viel Aufwand ein deutlich besseres dynamisches Verhalten, vor allem auch bei hohen Änderungsraten, erreicht.
Die Erfindung erstreckt sich ferner auf ein entsprechendes Verfahren. Zur näheren Erläuterung wird auf vorstehende Be- Schreibung verwiesen.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Übersichtsansicht eines Windparks mit einem Parkmaster und mehren Windenergieanlagen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine Schemaansicht zu dem Parkmaster mit einer
Vorsteuerung;
Fig. 3 ein Blockdiagramm zu einem Leistungsregler des
Parkmaster und der Vorsteuerung;
Fig. 4 eine Detailansicht zu einem Korrekturbegrenzer;
Fig. 5 eine Detailansicht zu einem Dynamiksperrglied; Fig. 6 eine Detailansicht zu einem Initialisierungsmo¬ dul; und
Fig. 7 eine Vergleichsdarstellung zum Verhalten des
Windparks mit und ohne die Erfindung.
Ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Wind- park ist in Fig. 1 dargestellt. Er umfasst einen Parkmaster
2 und mehrere Windenergieanlagen 1, die zur Unterscheidung weiter mit den Ziffern I, II und III gekennzeichnet sind.
Die Windenergieanlagen 1 weisen jeweils einen Windrotor 11 mit einem davon angetriebenen Generator 12 zu Erzeugung elektrischer Leistung auf, die in ein Sammelnetz 22 des
Parks eingespeist wird und an einem Anschlusspunkt 29 in ein Übertragungsnetz 99 abgegeben wird.
Der Parkmaster 2 überwacht und steuert den Betrieb der Windenergieanlagen 1. Dazu umfasst er einen Leistungsregler 3. Als Eingangssignale sind ein Leistungssollwert Pdemand, der vorzugsweise von einer externen übergeordneten Instanz (nicht dargestellt) bereitgestellt ist, und ein Wert für die aktuelle Leistungseinspeisung Pact angelegt, der von einem Leistungsmessmodul 28 bestimmt ist, welches Spannung und Strom am Anschlusspunkt 28 überwacht. Die von einem Differenzglied 30 ermittelte Differenz wird als ein Signal für die Regeldifferenz an den Leistungsregler 3 angelegt. Der Leistungsregler 3 ermittelt daraus Vorgabewerte für die Windenergieanlagen 1. Er weist dazu ein I-Glied 33 auf, das in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ausgeführt ist als ein diskreter Integrator mit einem Summierglied 34 und einem rückgekoppelten Verzögerungsglied (1/z) 35.
Die am Eingang des Leistungsreglers 3 gebildete Regeldiffe- renz wird nicht direkt dem I-Glied zugeführt, sondern wird mittels eines schaltbaren Parametersatzes 6 vorverarbeitet. Dazu ist ein Vorzeichendetektor 40 vorgesehen, der die von dem Differenzglied 30 gebildete Regeldifferenz darauf un¬ tersucht, ob sie positiv oder negativ ist. Ist das Vorzei- chen positiv, wird der Parametersatz 61 ausgewählt und die Regeldifferenz mit den zu diesen Parametersatz gehörenden Parametern verarbeitet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um nur einen Parameter, und zwar den für ein P-Glied 62. Ist das Vorzeichen negativ, wird der Parametersatz 61' ausgewählt und die Regeldifferenz mit den zu diesem Parametersatz gehörenden Parametern verarbeitet, und zwar in dem dargestellten Beispiel mittels des P- Glieds 62'. Die so erzeugten Werte werden mittels eines von dem Vorzeichendetektor 60 angesteuerten Fusionsglieds 63 zusammengeführt und dem I-Glied 33 zugeführt. Die Werte der Parametersätze sind so gewählt, dass der Parametersatz 61' für das negative Vorzeichen (also eine Änderung nach unten) eine kürzere Zeitkonstante als der Parametersatz 61 für das positive Vorzeichen, und zwar vorzugsweise um den Faktor 10 (entsprechen einer Größenordnung) .
Weiter weist der Parkmaster 2 erfindungsgemäß ein Vorsteue- rungsmodul 4 auf. Es ist parallel zu dem Leistungsregler 3 geschaltet und an seinen Eingang ist das Signal für den Leistungssollwert Pdemand angelegt, sowie Werte für die tatsächlich vom Park abgegebene Leistung Pact und die Leistungen der einzelnen Windenergieanlagen 1. Der von dem Vor- Steuerungsmodul 4 bestimmte Ausgangswert wird über ein Mul¬ tiplikationsglied 5 auf das Ausgangssignal des Leistungs¬ reglers 3 aufgeschaltet , und das daraus erhaltende Produkt in der Folge über ein parkinternes Signalnetz 21 an die Windenergieanlagen 1 übermittelt. Das Vorsteuerungsmodul 4 und sein Zusammenwirken mit dem Leistungsregler 3 werden nachfolgend näher erläutert. Das Signal für den Leistungssollwert Pdemand wird als Eingangs¬ signal an das Vorsteuerungsmodul 4 und an das Differenz¬ glied 30 am Eingang des Leistungsreglers 3 angelegt. An das Differenzglied 30 ist ferner noch die von dem Leistungs¬ messmodul 28 ermittelte tatsächliche aktuelle Leistung Pact angelegt .
Das Vorsteuermodul 4 umfasst einen schnellen Vorwärtskanal 40, über den das an seinem Eingang angelegte Signal für die Sollleistung Pdemand unmittelbar ausgegeben und an das Multiplikationsglied 5 angelegt wird. Damit wird eine ge¬ wünschte schnelle Reaktion auf Sollwertänderungen erreicht, die dank multiplikativer Aufschaltung automatisch mit dem tatsächlich abgegebenen Leistungsniveau skaliert. Es wird somit ein schnelles und robustes Ansprechen erreicht. Zur Verfeinerung weist das Vorsteuermodul 4 noch zusätzliche Kanäle 41 und 42 auf, mit denen sie auf den Leistungs¬ regler einwirkt. Der Kanal 41 wirkt auf einen Korrekturbe¬ grenzer 7 und erhält Werte für die von den einzelnen Wind- energieanlagen 1 abgegebene Leistung ΡΣ, Pn und P in . Diese Werte werden von dem Parkmaster 2 über das Signalnetz 21 von den einzelnen Windenergieanlagen 1 abgefragt. Diese Werte sind angelegt an einen Maximumsdetektor 73, der den höchsten dieser Leistungswerte ermittelt und als ein nor- miertes Leistungssignal an ein Summierglied 74 ausgibt. An das Summierglied 74 ist ferner noch angelegt ein Signal für einen Grundwert Offset. Das daraus gebildete Summensignal wird angelegt an ein Begrenzungsglied 75, welches eine Be¬ grenzung auf 1 entsprechend der Nennleistung durchführt. Diese so erhaltene Signal ist angelegt an ein Divisions¬ glied 76, das eine Division durch den ebenfall normierten Wert für die Sollleistung Pdemand durchführt. Das somit er¬ haltene Signal wird einem zweiten Begrenzungsglied 77 zuge¬ führt, das es nach unten hin auf 1 beschränkt und dann an einen Obergrenzen-Eingang 72 des Korrekturbegrenzers 7 angelegt. An einen Untergrenzen-Eingang 71 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein fester normierter Leistungswert von 0,5 angelegt, der optional aber auch auf durch einen höheren Wert ersetzt sein kann. Der Kanal 42 wirkt auf einen Initialisierer 9, der als Teil der Vorsteuerung 4 dazu ausgebildet ist, dem Leistungsreg¬ ler 3 in bestimmten Situationen mittels eine Rampenfunktion zu initialiseren . Zum Erkennen dieser bestimmten Situationen weist der Initialisierer 9 eine Eingangsstufe auf, die aus zwei Vergleichsmodulen 93, 94 besteht. An das erste
Vergleichsmodul 93 sind Signale für die Sollleistung P de- mand und die aktuelle Leistung P act angelegt. Es prüft, ob die angeforderte Sollleistung kleiner ist als die aktuell vom Windpark abgegebene Leistung. Ist das der Fall, wird ein Logiksignal als Freigabe ausgegeben. An das zweite Ver¬ gleichsmodul 94 ist ebenfalls das Signal für aktuelle Leis- tung P act angelegt und ferner ein Differenzsignal, welches als ein Ausgangssignal des Korrekturbegrenzers 7 mit einem Ratentoleranzwert T vergleichenden Differenzglied 95 er¬ zeugt wird. Ist die aktuelle Leistung kleiner, wird eben¬ falls ein Freigabe-Logiksignal ausgegeben; ist sie es nicht, bedeutet dies dass die aktuelle Leistung dicht genug am neuen Sollwert liegt, dass er direkt erreicht werden kann und eine Initialisierung der Rampe nicht erforderlich ist. Falls beide Freigabesignale vorliegen schaltet ein Lo¬ gikblock 96 beim Anlegen eines Aktivierungssignals 97 durch. Es wird dann der Ausgang des Initialisierers 9 auf den Wert der aktuell abgegebenen Leistung P act gesetzt. Somit wird erzwungen, dass die Rampenfunktion für den Sollwert P demand unmittelbar bei dem Wert für die aktuelle Leistung P act beginnt, so dass ein spontanes Ansprechen erreicht wird.
Ferner kann an den Initialisierer 9 ein Prädiktor 98 angeschlossen sein. Dieser ist dazu ausgebildet, bei einem Sollwertsprung nach oben einen Schätzwert für die Sollleistungsvorgabe für die Windenergieanlagen zu generieren. In- dem bei einem solchen Sollwertsprung auf diesen Schätzwert kann ein besseres Übergangsverhalten erreicht werden. Der Prädiktor 98 ist Gegenstand einer anderen, gleichzeitig eingereichten Anmeldung der Anmelderin.
Um bei sehr schnellen Änderungen durch das Vorsteuermodul 4 einen negativen Einfluss auf den Leistungsregler 3 zu vermeiden, ist ein Dynamiksperrglied 8 vorgesehen. An ihm ist das von dem Multiplikationsglied 5 erzeugte Signal ange¬ schlossen. Er überwacht es mittels eines vereinfachten ma¬ thematischen Modells 82 der Windenergieanlage 1 und wirkt bei zu schnellen Änderungen auf Sperrelemente 81 ein, die auf die Parametersätze 61, 61' wirken. Damit wird ein sog. Anti-Windup für den Leistungsregler 3 realisiert. Um das gewünschte schnelle Ansprechverhalten dennoch zu sichern, ist das Modell 82 vorzugsweise so aufgebaut, dass es nach einem Integrator 83 als Eingangsstufe einen oberen Pfad 84 mit einem Verzögerungsglied 1. Ordnung 86 sowie einem Be¬ grenzer 88 und einen unteren Pfad 85 umfasst, die zusammengeführt sind an einem Differenzblock 89, der wiederum das Ausgangssignal für die Aktivierung der Sperrelemente 81 ausgibt. Bei einer Leistungserhöhung sorgt so das Verzöge- rungsglied 86 dafür, dass die an der tatsächlichen Wind¬ energieanlage auftretenden langsamen Prozesse, wie Pitch- verstellung der Rotorblätter, im Modell berücksichtigt werden. Damit wird eine korrekte Reglerführung auch für diesen Fall erreicht. Das Zusammenwirken der vorstehend beschriebenen Komponenten ist in Fig. 3 dargestellt. Es zeigt den Leistungsregler 5 mit dem Differenzglied 30 zur Bildung der Regeldifferenz am Anfang, von wo aus das Signal über die wählbaren Parame¬ tersätze 61, 61' dem I-Glied 33 mit dem Summierglied 34 und dem Verzögerungsglied 35 zugeführt wird, und zwar unter
Einbeziehung des Initialisierers 9 und des Korrekturbegrenzers 7, die beide von Kanälen des Vorsteuermodul 4 ange¬ steuert sind. Ferner wirkt das Vorsteuermodul 4 mit seinem Kanal 41 unmittelbar auf das Multiplikationsglied 5. An dessen Ausgang ist auch das Dynamiksperrglied 8 angeschlos¬ sen, das auf das Parameterwahlmodul 6 zurückwirkt. In Fig. 7 sind Leistungsdiagramme für Windparks mit (Fig. 7a) und ohne (Fig. 7b) dem erfindungsgemäßen Vorsteuermodul 4 dargestellt. Die Windbedingungen sind eher schwach aber recht turbulent, so dass die Windenergieanlage schwankend um etwa 70 % ihrer Nennleistung erzeugen. Zum Zeitpunkt t = 0 wird die abgegebene Leistung des Windparks limitiert, in¬ dem der Sollwert für die Leistung von vorher unlimitiert auf 0,5 (entspricht halber Nennleistung) herabgesetzt wird.
Die gestrichelte Linie zeigt den vom Parkmaster 2 an die Windenergieanlagen 1 ausgegebenen Sollwert für die Leistung als gestrichelte Linie, und die durchgezogene Linie zeigt die tatsächliche Abgabeleistung des Parks insgesamt. Man erkennt, dass in Fig. 7a der an die Windenergieanlagen übermittelte Sollwert initial schneller abfällt als ohne die Erfindung, wie in Fig. 7b dargestellt. Noch deutlicher wird die durch die Erfindung erreichte Verbesserung bei der Betrachtung des eigentlichen Resultats, nämlich der von dem Windpark tatsächlich abgegebenen Leistung (durchgezogene Linie) . Sie steigt ohne die Erfindung (s. Fig. 7 b) im Ver- lauf der ersten 25 Sekunden an auf Werte über 0,5, obwohl der an den Park angelegte Sollwert eine Verringerung auf 0,5 verlangt. Dieser unerwünschte Anstieg ist durch Schraf- fur kenntlich gemacht. Im Vergleich dazu wird deutlich, dass mit der Erfindung (Fig. 7a) ein solches unerwünschtes Verhalten ausbleibt, die tatsächlich abgegebene Leistung liegt nahezu konstant auf dem gewünschten Wert und weicht erst zu einem späteren Zeitpunkt geringfügig ab.

Claims

Patentansprüche
Windpark mit mindestens zwei Windenergieanlagen (1), die mittels eines Windrotors (11) und eines Generators (12) elektrische Leistung erzeugen und an ein Sammelnetz (22) abgeben, und einem Parkmaster (2), der zur Führung der Windenergieanlagen (1) ausgebildet ist, wobei der Parkmaster (2) einen Leistungsregler (3) um- fasst, an dessen Eingang ein Sollleistungssignal ange¬ legt ist und an dessen Ausgang Leistungssteuersignale für die Windenergieanlagen (1) ausgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsregler (3) ein Vorsteuermodul (4) aufweist, das ein Maß für die Sollleistung über ein Multiplikationsglied (5) auf den Ausgang des Leistungs¬ reglers (3) aufschaltet.
Windpark nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsteuerungsmodul ein stationär genaues Glied, insbesondere ein I-Glied (33), umfasst.
Windpark nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsregler (3) über mindestens ei¬ nen Parameter parametriert ist und einen doppelten Parametersatz aufweist.
Windpark nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorzeichendetektor (40) vorgesehen ist und so ausgebildet ist, dass je nach dem Vorzeichen einer Rege¬ lungsdifferenz einer der beiden Parametersätze ausgewählt ist.
5. Windpark nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Parametersatz für ein Vorzeichen entsprechend einer Änderung nach unten ausgewählt ist und eine kürzere Zeitkonstante aufweist als der Parametersatz für ein Vorzeichen entsprechend einer Änderung nach oben, und zwar vorzugsweise um eine Größenordnung.
6. Windpark nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsteuermodul (4) einen Korrekturbegrenzer (7) aufweist, der vorzugsweise asymmetrisch ausgebildet ist.
7. Windpark nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Korrekturbegrenzer (7) mit einer festen unteren Grenze und einer variablen oberen Grenze versehen ist.
8. Windpark nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Maximumsfinder (73 ( vorgesehen ist, der die Windenergieanlage (1) mit maximaler Leistungsabgabe ermit¬ telt und deren Leistungsgrad bestimmt, der zur Verän¬ derung der oberen Grenze an den Korrekturbegrenzer (7) angelegt ist.
9. Windpark nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass an einem Ausgang des Mul¬ tiplikationsglieds (5) ein Dynamiksperrglied (8) ange¬ schlossen ist, welches eine Änderungsrate des Ausgangs überwacht und bei Überschreiten eines Grenzwerts der Leistungsregler blockiert.
10. Windpark nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsteuermodul (4) so ausgebildet ist, dass es im blockierten Zustand den vorherigen Wert beibehält. Windpark nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich net, dass im Dynamiksperrglied (8) ein vorzugsweise vereinfachtes Modell (82) der Windenergieanlage imple mentiert ist.
Windpark nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Modell (82) bimodal mit unterschiedlichen Zeitkonstanten für Leistungsreduktion und Leistungser höhung ist.
Windpark nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass für Leistungserhöhung das Modell ein Verzögerungsglied (86), vorzugsweise 1. Ordnung, umfasst.
Verfahren zum Betreiben eines Windpark mit mindestens zwei Windenergieanlagen (1), die mittels eines Windro tors (11) und eines Generators (12) elektrische Leis¬ tung erzeugen und an ein Sammelnetz (22) abgeben, und einem Parkmaster (2), der zur Führung der Windenergie anlagen (1) ausgebildet ist, wobei der Parkmaster (2) einen Leistungsregler (3) umfasst, an dessen Eingang ein Sollleistungssignal angelegt ist und an dessen Ausgang Leistungssteuersignale für die Windenergiean¬ lagen (1) ausgegeben werden, gekennzeichnet durch
Vornehmen einer Vorsteuerung am Leistungsregler (3) , wobei ein Maß für die Sollleistung generiert wird, Multiplizieren dieses Maßes mit dem am Ausgang des Leistungsreglers (3) ausgegebenen Signal, und
Übermitteln des Ergebnisses der Multiplikation an die Windenergieanlagen (1).
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Parkmaster (2) nach einem der Ansprüche 2 bis 13 weitergebildet ist.
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